Elektronikpraktikum SS Serie O.Borodina, D. Krambrich, W. Lauth, T. Saito. Versuche mit Operationsverstärkern

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1 Elektronikpraktikum SS Serie O.Borodina, D. Krambrich, W. Lauth, T. Saito. Mi :00-16:00 Uhr, oder Do :00-16:00 Uhr Ort: Gebäude (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum 430 Versuche mit Operationsverstärkern I. Ziel der Versuche. Funktionsweise des idealen und realen Operationsverstärkers, einfache Verstärkerschaltungen, Kenngrößen eines Operationsverstärkers. II. Vorkenntnisse. Idealer Operationsverstärker, negative Rückkopplung, Regeln für die Analyse von Operationsverstärkerschaltungen, invertierende und nicht-invertierende Operationsverstärkerschaltungen, realer Operationsverstärker, Kenngrößen des Operationsverstärkers wie Frequenz- und Phasengang der offen Verstärkung, Eingangs- und Ausgangswiderstand, Offset-Spannung und -Ströme und Verstärkungs-Bandbreite-Produkt. 1. Beschaltung der Platine mit Operationsverstärkern (OP) Die Operationsverstärkerschaltungen werden auf der bereitgestellten Experimentierplatine aufgebaut. Setzen Sie zunächst in die leeren Steckplätze die beiden Operationsverstärker UA741 und LF411 richtig herum ein. Die Spannungszuleitungen des OPs und der Potentiometer für den Offsetabgleich sind bereits verdrahtet. Für den Betrieb der Operationsverstärker werden +15V und -15V und die Masse benötigt, die mit den beiden einstellbaren und erdfreien Spannungsquellen erzeugt werden. Stellen Sie die beiden regelbaren Spannungsquellen auf jeweils 15V ein und schalten Sie sie hintereinander. Der Verbindungspol der beiden Spannungsquellen ist die Referenzmasse für die folgenden Schaltungen. Verwenden Sie folgende Farben der Kabel, um die Verbindung zum Steckbrett herzustellen: Schwarzes Kabel: Masse, rotes Kabel po-

2 sitive Spannung (+15V) und blaues Kabel: negative Spannung (-15V). Überprüfen Sie sorgfältig die Verkabelung. Eine falsche Polung kann zur sofortigen Zerstörung des OPs führen. Vor einem Umbau einer Schaltung bitte das Labornetzgerät abschalten. 2. Versuch: Invertierende Operationsverstärkerschaltung. Bauen Sie die nachfolgend dargestellte invertierende Operationsverstärkerschaltung für den OP UA741 auf der Platine auf. Die Widerstände, die Sie dafür benötigen, können Sie sich aus den Schubkästen besorgen. Messen Sie die Widerstände mit dem Ohmmeter nach und notieren Sie sich die Werte.Wählen Sie für die Verstärkung G: 1, 10,100, Benutzen Sie als Eingangsspannung den Signalgenerator mit sinusförmiger Erregung und einer Frequenz von ca. 100 Hz. Messen Sie gleichzeitig mit dem Oszillographen die Spannungen U e und U a. Die Spannung am invertierenden Eingang U - messen Sie mit dem Tastkopf, der eine höhere Eingangsimpedanz (10 MΩ) besitzt und das Signal um einen Faktor 10 abschwächt. Es ist sinnvoll den Oszillographen mit dem TTL Ausgang des Signalgenerators zu triggern. Notieren Sie sich die Amplituden in der Tabelle. R 1 [kω] R 2 [kω] Verstärkung U e [V] U a [V] U - [mv] U a /U e

3 3. Versuch: Nicht-Invertierende Operationsverstärkerschaltung. Modifizieren Sie die Operationsverstärkerschaltung (OP UA741) gemäß des nachfolgenden Schaltbildes. Wählen Sie die Verstärkungen 1 (Spannungsfolger), 2, und Messen Sie wieder die Spannungen wie unter Punkt 2 und tragen Sie die Werte in die Tabelle ein. R 1 [kω] R 2 [kω] Verstärkung U e [V] U a [V] U - [mv] U a /U e 4. Versuch: Kenngrößen des realen Operationsverstärkers. In der Praxis gibt es keinen idealen OP. Um abschätzen zu können, wie nahe ein OP dem Ideal kommt, muss man verschiedene Kenndaten angeben (siehe Datenblätter). In den folgenden Versuchen sollen einige dieser Kenndaten wie die Eingangs-Offset-Spannung und Ströme, die Anstiegsgeschwindigkeit, die Frequenzabhängigkeit der offenen Verstärkung und der Phasendrehung und das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt handelt werden. 4.1 Eingangs-Offset Spannung (Input offset Voltage) U Offset

4 Zwischen dem invertierenden und nichtinvertierenden Eingang eines OP liegt, schaltungstechnisch bedingt, eine kleine Spannungsdifferenz U Offset Bei hohen Verstärkungsfaktoren kann der Einfluß von U Offset beträchtlich sein. Viele Hersteller von OPs bieten daher eine einfache Offset-Spannungskompensation an, bei der an zwei Anschlüsse (1 und 5) über einen externen Potentiometer eine Spannung angeschlossen wird, die gerade U Offset kompensiert. In dem Aufbau ist dieser Potentiometer schon verdrahtet. Verwenden Sie die nicht-invertierende OP-Schaltung mit hoher Verstärkung (G=1001) und legen Sie den Eingang auf Masse. Messen Sie die Ausgangsspannung U a und gleichen Sie diese mit Hilfe des Potentiometers auf Null ab. Notieren Sie sich die Werte. U offset (vor Abgleich)= U offset (nach Abgleich)= 4.2 Eingangsstrom (Input bias current und input offset current) Die Eingänge des OPs ziehen wiederum, schaltungstechnisch bedingt, einen Eingangsstrom + I e und I ē. Man definiert I B = I + e I ē /2 (Input bias current) und I O =I + e I ē (Input offset current) wobei I O wesentlich kleiner als I B ist und im Folgenden vernachläßigt werden soll. Der Input Bias-Strom I B bewirkt durch vorgeschaltete Widerstände einen Spannungsabfall, der wiederum durch den OP verstärkt wird. Benutzen Sie anstelle des Kurzschlusses am positiven Eingang (4.1) einen 10 kω Widerstand gegen Masse und messen Sie die Ausgangsspannung. Berechnen Sie aus dem Ergebnis den Input bias current I B. 4.3 Hausaufgabe I Wie müsste die Schaltung modifiziert werden, um diesen Stromoffset zu korrigieren? Der 10 kω Widerstand am positiven Eingang soll dabei nicht verändert werden. Skizzieren Sie diese Schaltung. 4.4 Vergleich verschiedener Operationsverstärker. Benutzen Sie anstelle des OPs UA741 den OP LF411 und wiederholen Sie die Messungen für die Offsetspannung und den Input Bias-Strom I B und fassen Sie alle Werte in einer Tabelle zusammen. OP Offset-Spannungen [mv] Input-Bias Current [na] UA741 LF Eine alternative Methode den Spannungsoffset abzugleichen ist es den OP unbeschaltet zu lassen und den positiven und negativen Eingang mit Masse zu verbinden Die Spannung am Ausgang sollte nahe bei einer der beiden Betriebsspannungen liegen. Durch drehen des Potentiometers, kann der Punkt gesucht werden, an dem die Spannung auf die entgegengesetzte Polarität springt. An diesem Punkt ist der OP abgeglichen. Verwenden Sie für diesen Versuch wieder den OP UA741.

5 4.6 Stromoffset für die invertierende OP-Schaltung. Wählen Sie die invertierende OP Schaltung gemäß dem nachfolgenden Bild. Versuchen Sie durch Variation des Widerstandes R 3 den Stromoffset zu korrigieren. Wie groß müsste R 3 nach ihren Berechnungen sein? R 3 (gemessen) = R 3 (erwartet) = 4.7 Frequenzgang der (offenen) Verstärkung A(f) (Open Loop Gain) und Phasenverhalten φ(f) Verwenden Sie die Schaltung aus 4.6. Die Eingangsspannung soll nun wieder eine sinusförmige Spannung mit variabler Frequenz sein. Messen Sie gleichzeitig die Amplitude der Ein- und Ausgangsspannung und deren Phasenverschiebung für verschiedene Verstärkungen und Frequenzen gemäß der Tabelle. In der Nähe der Grenzfrequenz, also dort wo die Amplitude um einen Faktor 1/ 2 fällt, sollte das Frequenzraster enger gewählt werden. G=1, R 1 =, R 2 =, R 3 G=10, R 1 =, R 2 =, R 3 f [khz] U e [V] U a [V] φ(f) A(f) f [Hz] U e [V] U a [V] φ(f) A(f)

6 G=100, R 1 =, R 2 =, R 3 G=1000, R 1 =, R 2 =, R 3 f [khz] U e [V] U a [V] φ(f) A(f) f [khz] U e [V] U a [V] φ(f) A(f) Anstiegsgeschwindigkeit (Slew rate) Bauen Sie den Spannungsfolger auf (nicht-invertierende Schaltung mit G = 1). Wählen Sie für das Eingangssignal einen rechteckförmigen Impuls mit der Breite von 100 µs, der Amplitude von ±5V und der Wiederholfrequenz von 1kHz. Schauen Sie sich das Ein und Ausgangssignal mit dem Oszillographen an. Speichern Sie das Bild ab um es in das Protokoll übernehmen zu können. Benutzen Sie sowohl den OP UA741 als auch den OP LF Kleinsignalverhalten Wiederholen Sie die Messungen von 4.8 aber jetzt mit einer kleinen Eingansamplitude von ca. 50 mv und speichern Sie die Daten ab. Auch hier sollen die Bilder ins Protokollheft übernommen werden HausaufgabeII. Bestimmen Sie aus den Daten von 4.8 die Slew Rate für beide OPs Hausaufgabe III. Besorgen Sie sich die Datenblätter der beiden OP und vergleichen Sie die gemessenen Größen Input-Biasstrom I B, Input Offsetspannung U offset und Slew Rate mit denen der Herstellerangaben (In einer Tabelle zusammenfassen) Hausaufgabe IV Stellen Sie den Frequenzgang (log(amplitude)) als Funktion von log(frequenz)) dar, und versuchen Sie die Grenzfrequenzen zu bestimmen. Fügen Sie das entsprechende Diagramm aus dem Datenblatt zum Vergleich hinzu Hausaufgabe V Stellen Sie in einem halblogarithmischen Maßstab (Phase als Funktion von log(frequenz)) den Phasengang dar und vergleichen sie ihn mit dem Datenblatt Hausaufgabe VI Bestimmen Sie das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (Gain-Bandwidth).